?
本篇共 1讲
观察、思考、交流
* 明确为什么学？学什么？怎样学？
第一章 课程介绍
* 了解物质世界的整体图象。
第二章 物质世界
第一篇 绪 论
目的,
获得学习“大学物理”的自觉意识和较高的起点。
学时,2
请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的
不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些
知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作
服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一
样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世
界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵
的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种
文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟
大的探索中来。
－－－理查德,费曼
R.P.Feynman （ 1918－ 1988）
美国物理学家，诺贝尔物理奖获得者
第一章 课程介绍
一, 为什么要学习“大学物理”？
物理学,
研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍
的运动规律。
是一切自然科学和工程技术的基础。
物理书都充满了复杂的数学公
式。可是思想及理念，而非公式，
才是每一物理理论的开端。
－－爱因斯坦
, 物理学的进化,
学习目的,
1.获得生活、学习、工作所需的知识和技能。
2.开启智慧，获得科学思想、科学精神、科学态度
和科学方法的熏陶和培养。
载体
定位,
不仅仅是为后续课服务
不仅仅是为专业服务
立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展
为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？
根本原因,物理学与工程技术的关系
*第一次工业革命（ 17～ 18世纪）,
建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代
表的一系列机械的产生和应用。
*第二次工业革命（ 19世纪）,
建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯
设备的出现和应用。
*第三次工业革命（ 20世纪）,
建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以信息技术为
代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。
物理学与技术关系的两种模式
*技术 物理 技术（典型例子：热学）
*物理 技术 物理（典型例子：电磁学）
在现代社会中主要以第二种方式进行。
[例 ]
计算机技术、激光技术、核技术、
空间技术 ……
其基础正是过去大半个世纪的现代
物理学的研究成果。
电子和信息技术的物理基础
1925年 量子力学建立
1926年 Fermi-Dirac 统计法提出
1929年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释
了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；
Fermi面概念及其可测量的提出
1947年 发明晶体管
（肖克莱、巴丁、布拉顿获 1956年诺贝尔物理奖）
1957年 建立 Fermi面编目
1962年 制成集成电路（ IC）
1965年摩尔定律：芯片容量每 18－ 24个月翻番。
70年代末 大规模和超大规模集成电路（ VLIC）
核技术的物理基础
1896年 Becquerel 发现铀的天然放射性
1905年 Einstein 创立狭义相对论，得
1911年 Rutherford 提出原子的有核模型
1925年 量子力学建立
1932年 建立原子核的 质子 ——中子 模型
1933年 发现人工放射性
1945年 实现核裂变 ——原子弹
1952年 实现核聚变 ——氢弹
1954年 建立第一座核电站 （安全、清洁、经济的能源）
2mcE ?
比较
原理发现
（年）
工业产品
（年）
经历时间
（年）
电动机 1821 1886 65
真空管 1882 1915 33
无线电 1887 1922 35
X光 1895 1913 18
雷达 1935 1900 5
原子反应堆 1939 1942 3
半导体 1948 1951 3
激光 1958 1960 2
从基本原理转变为技术的速度加快
直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术
纳米（ ）技术 m10 9?
皮秒（ ）技术 s10 12?
超导技术
…,.,
IBM公司构成
的铂片表面的
,一氧化碳人
” 身高 5纳米
。
物
理
学
提供科学原理
指导技术路线的选择和技术方案的改进
培养技术人员的科学品格和创新能力，使其眼
光远，层次高，后劲足
全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课
二,学什么？
知识、方法、科学观念,物” ——物质世界,理” ——普遍规律
1.学习物理知识要注意 整体性, 发展性 和 迁移性 。
整体性
注意掌握知识的结构和联系
形成物质世界的整体物理图象
避免,只见树木，不见森林。
只得到一堆支离破碎的公式。
经
典
物
理
力学（实物粒子）
电磁学（场）
热力学 统计物理
（多粒子体系）
相对论
力学
量子
力学
量子统计物理
相对论
量子力学
相对论
量子场论
？
物理学的基本框架
分支学科,激光物理，半导体物理，原子物理，核物理 …
交叉学科,生物物理，量子化学，地球物理，海洋物理 …
物理学的基本框架
速率
大小或距离 1020m 10－ 5m
0.01c
c
狭义
相对论 广义
相对论
量子理论
狭义相对论
量子
理论 牛顿物理学
禁区
禁区
来自, 物理学：基本概念及其与方方面面的联系,
教材结构和主线
上册 下册
多粒子体系
的热运动
基本
粒子
实物的
运动规律
相互作用
和场
振动
和
波动
量子现象和
量子规律
发展性
不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注
其内涵的丰富，应用的扩展，相互关系的变化。
[例 ] 质量 m
初中：,Vm ??
Vm??
循环定义？
前沿,质量究竟是什么？是如何产生的？
大学,
2
22
0 1
mcE
cvmm
?
??
惯引 mm ?
高中,maF ? － 惯性质量
2r
G m MF ? －引力质量
惯引 mm ?
？
[例 ] 力 F?
中学,以“力”为中心。
amF ?? ?
对时间积累 ptFI ??? ????
动量定理 ——动量守恒
对空间积累
kc o s EFSA ??? ?
动能定理 ——机械能守恒
力矩 FdM ? 定轴转动物体的平衡
近代物理,以守恒量为中心的表述优于以力为中心表述。
守恒量 ——动量、角动量、能量
守恒定律 －动量守恒定律
角动量守恒定律
能量守恒定律
守恒定律与
自然界对称
性的联系
物理学在 20世纪取得了令人惊讶的成功。
它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看
法，也改变了我们描述自然的基本语言。在本
世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的
崭新看法。在这个新的宇宙观中,物质已失去
了它原来的中心地位，取而代之的是自然界的
对称性。
—— （美）斯蒂芬, 温伯格
温伯格 (美）
(1933--- )
注意提高应用物理知识理解、解决实际
问题的能力。 迁移性
发展独立思考和独立判断的一般能
力，应该始终放在首位，而不应当把获
得专业知识放在首位。 如果一个人掌握
了他的学科的基础理论，并且学会了独
立地思考和工作，他必定会找到他自己
的道路，而且比起那种主要以获得细节
知识为其培养内容的人来说，他一定会
更好地适应进步与变化。
——阿尔伯特, 爱因斯坦
德裔（美）爱因斯坦
(1879-1955)
2,学习物理方法
观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合,
类比、理想化、假说 ……
形成指导性原理,
* 简单性原理,逻辑前提越简单，普遍程度越高。
* 对应原理, 新理论应包容在一定条件下被证实
是正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。
……
是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟的
标志之一。
理想化
方法
理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体 …… )
理想实验（伽利略、牛顿 …,.,）
理想过程 (准静态、绝热 …… )
[例 ]
方法实质,
简化、纯化，抓住主要矛盾,
摒弃次要因素。
重要意义,
人类认识世界的基本策略
牛顿的理想实验
物理学的基本思想方法,
用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实验来检验模型 。
（ 1858-1947）
感觉世界 物理科学世界 真实世界
大量
唯象定律
较高层次
定律
自然界的
基本法则
(中介 )
逼近
目标
归纳
总结
气体定律
胡克定律
……
牛顿定律
麦氏方程
……
物理学描述的是关于实在世界的模型
我们可以把组成这个“世界”的这些运动事物的复杂组合，
想象成天神们下的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。
我们不知道奕棋的规则，允许我们做的就是观看这场棋赛。当
然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来。这些奕
棋规则就是我们所说的 基础物理学 。 …… 如果你会下棋就一定
知道，学会所有的规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解
人家为什么这样走则往往很困难。在自然界中也是如此，只是
程度更厉害 …… 除了我们还不知道全部规则之外，用已知的规
则我们确实能解释的事物也是非常有限的，因为所有的情况都
极其复杂，我们不能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说
预言下一步将发生什么情况了。因此，我们只能满足于奕棋规
则这个比较基本的问题。
－－－费曼
R.P.Feynman （ 1918－ 1988）
物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是
依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。
避免将物理规律视为一成不变的僵死教条，寻求发
展和创新！
又如,科学假说方法
牛顿时代,以经验观察，逻辑归纳为主。
现代物理,问题 ——假说 ——(实践 )——科学 ——
（证伪） ——新问题 ——新假说 ——…,.,
不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观
察什么 。 ——爱因斯坦
3,学习先进的科学观念，树立科学 世界观
物理学中的唯物论,
实践（实验）是判断（检验）真理（科学）的唯一标准,
物理学中的辨证法,
相对性原理，变革性原理，对应原理，互补原理 ……
物理学, 美, 的标准,简单、和谐、统一、对称。
应当期望物理学家的美感有一种用途：协助物
理学家去选择可帮助我们了解大自然的理念。
－－－ 温伯格
自然是和谐统一的整体，自然界的复杂性是由简
单规则演变而来。
物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。
——爱因斯坦
符合物理学审美原则,
学科的分化、交叉、整合。
人与自然的和谐发展 ——新的自然观
一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环
境效益，树立,整体优化” 和,可持续发展” 的价
值观念。
三, 怎样学?
业精于 勤 荒于嬉，行成于 思 毁于随。
—— 韩愈
西南交大, 大学物理, 学习资源
1.教材, 大学物理教程, 上、下
2.辅助材料, 大学物理教与学参考,
, 大学物理活页作业题,
3.演示实验室
4.网上学习系统
学校主页 —校园文化 —教师主页 —应用物理系 —大学物理
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课堂内外 物理园地
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第二章 物质世界
教育的实质就是克服狭隘性,
也就是要开阔人的眼界。
－ 曼格
一,物质世界的空间尺度 ——宇宙的 42个台阶
宇宙学、粒子物理的奇妙衔接
哈勃半径,
星系团,
银河系,
地球轨道半径,
太阳半径,
地球半径,
月球半径,
大分子,
小分子,
原子,
原子核,
基本粒子,
? ?
16
14
10
9
4
6
7
9
11
21
23
26
10
10
10
10
10
10
10
10
AU110
10
10
m10
?
?
?
?
?
二, 物质世界的时间尺度
s10~s10 2418 ?
共计跨越了 42个数量级
s1018?宇宙年龄,150 亿年
生命的诞生,约 40亿年
人类,300万年（ 1014s）
中间玻色子寿命,10－ 24s
地球年龄, s10106.4 179 ?? 年
大爆炸
宇宙年龄,
星系年龄,
地球年龄,
出现生命,
富氧大气,
人类,
地球公转,
月球公转,
地球自转,
中子寿命,
中间玻色子寿命,
s1062 6?.
s105
s103
s10 24?
50亿年
150亿年
46亿年
40亿年
3百万年
8亿年
s10163 7?.
s)10( 18
s)10( 14
s)10( 17
三, 物质世界的质量尺度
目前所测宇宙,
银河系,
太阳,
地球,
月球,
细菌,
红血球,
流感病毒,
氧分子,
中子、质子,
电子,
kg5310
kg4110
kg3010
kg2510
kg2210
kg1110?
kg1310?
kg1910?
kg2510?
kg2710?
kg3010?
宇宙中物体的质量量级 ——跨跃了约 80个数量级
四, 基本粒子家族
基本粒子,
指人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点”粒子,
是一个不断向更深层次转移的动态概念。
基本粒子 特征,
质量、电荷、自旋、寿命 ……
要点,三大家族
四种相互作用
标准模型,1964年 美国盖尔曼提出,1969年斯坦福直线
加速器中心电子 —核子撞击实验首次验证,
获当年诺贝尔物理奖。
（ 1929－）
1.规范粒子（场粒子，传递相互作用，共 13种） 三大家族
名称 符号 静质量 （ MeV） 电荷 （ e） 自旋
)(?
寿 命（ s） 传递的 相互作用
光子 ? 0 0 1 ? 电磁
中间
玻色子
0Z
W?
1
1 01?
弱
25
25
10030602
10180932
?
?
??
??
)..(
)..(
319 1 1 6 1
4 0 08 0 6 0 0
?
?
胶子
（ 8种） )g( 0 0 1 ? 强
引力子 0 0 2 引力
玻色子
根据范德米尔与鲁比亚, 随机
冷却, 设想制造的高能加速器
于 1984年 1月发现了规范场粒
子 W± 和 Z° 粒子。其性质最终
确定了弱电统一理论的正确性。
二人于 1984年获诺贝尔物理奖。
范德米尔 (1925～ )
荷兰物理学家 鲁比亚 (1934～ ) (意 )物理学家
格拉肖
(美 1932～ )
萨拉姆
(巴基斯坦
1926～ 1996)
温伯格
(美 1933～ )
因为弱电相互作用理论
和预言弱中性流获 1979
年诺贝尔物理奖。
历史之旅
2,轻子：共 3代 12种 三大家族
名称 符号
静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
寿 命（ s） 代
电子
电子中微子
一
e
e
?
0.51
5105 ??? 0
-1 21
21
?
?
μ子
μ子中微子
二
??
?
106
50.? 0
-1 21
21 ?
610?~
?子
? 子中微子
三
??
?
*1776.9
160? 0
-1 21
21 ?
1310?~
费米子 *,北京正负电子对撞机测量结果
北京正负电子对撞机（ BEPC）的正电子源
1988年建成,
1992年成果：将 ?子质量测量精度提高 10倍
2003年：发现新粒子
2004年：国家投入 6.4亿元改造，搭建通向诺贝尔奖平台
反粒子的发现
1930年狄拉克预言其存在；
1932年安德森在宇宙射线实验中发现正电子。
（ 1905－ 1991） （ 1902－ 1984） 1931年安德森用过的云室
和磁铁
历史之旅
粒子从何方穿入？
粒子带何种电荷？
由径迹算出荷质比与电子相同。
铅板
B?
?
? ?
??
1999年 6月 3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号航天飞机搭载
中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪（ AMS）升空，寻找宇宙空
间的暗物质和反物质 （反碳核和反氦核）
中微子之谜
1930年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设,
1933年费米建立弱作用理论。
1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。
1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获 1995年诺贝尔物理奖。
1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。
2002年美国雷蒙德,戴维斯，日本小柴昌俊获诺贝尔物理奖，表彰
他们在探测宇宙中微子，开创中微子天文学方面取得的成就 。
尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描，中微子通讯，
探测星球内部信息 …… ）
???? ?epn
?
历史之旅
3.夸克, 3代,6味、每味 3色，共 36种 三大家族
名 称 符号 静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
代
一
上夸克
下夸克
u
d
-300
-300
32
31?
21
21
二
粲夸克
奇异夸克
c
s -500
-1500 32
31?
21
21
三 顶夸克
底夸克
t
b
-180000
-5000
32
31?
21
21
费米子
1964年 盖尔曼,
1974年 丁肇中,
1977年 莱德曼,
1995年 费米实验室,
sd,u,
cJ/ ??
b??
t
（粲夸克）
（底夸克）
（顶夸克）
（上、下、奇异夸克）
历史之旅
强子（核子、介子）的夸克模型
名称 符号 符号 组成 组成 名称
质子
中子
反质子
正 ?介子
正 K介子
J/?介子
p
n
p ?K
?π
J/?
du2 ?
du2 ?
d2u ? cc?
su?
du?
特点,分数电荷 1977年超导铌球实验
渐近自由
红外奴役
色禁闭 （找不到自由 夸克 ）
323 e,e ??
d
u u
d
u u
d
u u
u
u
d
u u
u u
基本
粒子
规范粒子 13种
轻子 12种
夸克 36种
玻色子（引力子？）
费米子
希格斯粒子（？）
62种
小结,基本粒子的三大家族
五, 物质存在的基本形式 ——实物和场
轻子
夸克
实物 规范粒子 场
物质结构层次
实物
分子
原子
原子核
质子
夸克 电子（轻子） 规范粒子
场
中子
物质结构层次
实物和场
实物,具有质量、不可入性，以空间间断形式存在。
宏观客体（ > ）服从因果律 m10 7?
微观客体（ < ）服从统计规律
m10 7?
介观客体 （ 108－ 1011个原子，亚微米尺寸器件）
一定条件下出现量子效应
场,无静止质量,不具有不可入性，以连续形式存在，
具有可叠加性，不能作为参考系。
*实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互作用，场和实物
可以相互转化
*现代物理认为场是更基本的，粒子只是场处于激发态的表现。
真空,所有的场处于基态，表现为没有粒子；
粒子,相关的场处于激发态。
???? ?epn中子衰变,
六, 四种基本相互作用
所有粒子
大多数粒子
带电粒子
强子
?
1610??
?
1310??
引力子？
中间玻色子
光子
胶子
1310?
3810?
210?
1
)(?
)g(
种类
引力
弱力
电磁力
强力
作用对象 作用距离 (cm) 相对强度 传递作用的 基本粒子 （ 10－ 13 cm处 ）
迄今为止，人类了解得最早的是引力,了解得最晚的是
强力；了解得最少的是引力，了解得最多的是电磁力。
想想其中的原因！
物理理论的发展趋向统一
天体引力
地球引力
牛顿 爱因斯坦
经典力学 相对论力学
电
磁
光
弱力
强力
麦克斯韦
电动力学 格拉肖 萨拉姆 温泊格
规范场弱电统一理论
设想的大
统一理论
设想的
超对称
大统一
理论
杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获 1957年
诺贝尔物理学奖
获诺贝尔物理奖的华裔物理学家
获诺贝尔物理奖的华裔物理学家
丁肇中,
由于发现 J粒子，
获 1976年诺贝尔
物理学奖。
朱棣文,
由于激光冷却和
捕获原子的研究
获 1997年诺贝尔
物理学奖。
崔琦,
由于在分数量子霍
尔效应量子现象的
研究获 1998年诺贝
尔物理学奖。
推荐书目
1.霍金,, 时间简史,, 湖南科技出版社,1992
2.赵鑫珊,,普朗克之魂,,四川人民出版社,1992
3.R.费曼,,别闹了，费曼先生,,三联书店,1997
自学,教材 p356, 附录 B 矢量简介,
本篇共 1讲
观察、思考、交流
* 明确为什么学？学什么？怎样学？
第一章 课程介绍
* 了解物质世界的整体图象。
第二章 物质世界
第一篇 绪 论
目的,
获得学习“大学物理”的自觉意识和较高的起点。
学时,2
请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的
不是教你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些
知识，以便更好地为今后你们面临的工业或军事工作
服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家一
样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世
界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵
的主要部分。也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种
文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟
大的探索中来。
－－－理查德,费曼
R.P.Feynman （ 1918－ 1988）
美国物理学家，诺贝尔物理奖获得者
第一章 课程介绍
一, 为什么要学习“大学物理”？
物理学,
研究物质世界的基本结构、基本相互作用和最普遍
的运动规律。
是一切自然科学和工程技术的基础。
物理书都充满了复杂的数学公
式。可是思想及理念，而非公式，
才是每一物理理论的开端。
－－爱因斯坦
, 物理学的进化,
学习目的,
1.获得生活、学习、工作所需的知识和技能。
2.开启智慧，获得科学思想、科学精神、科学态度
和科学方法的熏陶和培养。
载体
定位,
不仅仅是为后续课服务
不仅仅是为专业服务
立足于提高自身科学素质，有益于终身学习和发展
为什么要提高工科学生的科学（物理）素质？
根本原因,物理学与工程技术的关系
*第一次工业革命（ 17～ 18世纪）,
建立在牛顿力学和热力学发展的基础上，其标志是以蒸汽机为代
表的一系列机械的产生和应用。
*第二次工业革命（ 19世纪）,
建立在电磁理论发展的基础上，其标志是发电机、电动机、电讯
设备的出现和应用。
*第三次工业革命（ 20世纪）,
建立在相对论和量子力学发展的基础上，其标志是以信息技术为
代表的一系列新学科、新材料、新能源、新技术的兴起和发展。
物理学与技术关系的两种模式
*技术 物理 技术（典型例子：热学）
*物理 技术 物理（典型例子：电磁学）
在现代社会中主要以第二种方式进行。
[例 ]
计算机技术、激光技术、核技术、
空间技术 ……
其基础正是过去大半个世纪的现代
物理学的研究成果。
电子和信息技术的物理基础
1925年 量子力学建立
1926年 Fermi-Dirac 统计法提出
1929年 能带理论提出并得到证实，从理论上解释
了导体、半导体、绝缘体的性质和区别；
Fermi面概念及其可测量的提出
1947年 发明晶体管
（肖克莱、巴丁、布拉顿获 1956年诺贝尔物理奖）
1957年 建立 Fermi面编目
1962年 制成集成电路（ IC）
1965年摩尔定律：芯片容量每 18－ 24个月翻番。
70年代末 大规模和超大规模集成电路（ VLIC）
核技术的物理基础
1896年 Becquerel 发现铀的天然放射性
1905年 Einstein 创立狭义相对论，得
1911年 Rutherford 提出原子的有核模型
1925年 量子力学建立
1932年 建立原子核的 质子 ——中子 模型
1933年 发现人工放射性
1945年 实现核裂变 ——原子弹
1952年 实现核聚变 ——氢弹
1954年 建立第一座核电站 （安全、清洁、经济的能源）
2mcE ?
比较
原理发现
（年）
工业产品
（年）
经历时间
（年）
电动机 1821 1886 65
真空管 1882 1915 33
无线电 1887 1922 35
X光 1895 1913 18
雷达 1935 1900 5
原子反应堆 1939 1942 3
半导体 1948 1951 3
激光 1958 1960 2
从基本原理转变为技术的速度加快
直接从各分支物理实验室移植到工业上的新技术
纳米（ ）技术 m10 9?
皮秒（ ）技术 s10 12?
超导技术
…,.,
IBM公司构成
的铂片表面的
,一氧化碳人
” 身高 5纳米
。
物
理
学
提供科学原理
指导技术路线的选择和技术方案的改进
培养技术人员的科学品格和创新能力，使其眼
光远，层次高，后劲足
全世界工科大学无一例外将物理作为重要基础课
二,学什么？
知识、方法、科学观念,物” ——物质世界,理” ——普遍规律
1.学习物理知识要注意 整体性, 发展性 和 迁移性 。
整体性
注意掌握知识的结构和联系
形成物质世界的整体物理图象
避免,只见树木，不见森林。
只得到一堆支离破碎的公式。
经
典
物
理
力学（实物粒子）
电磁学（场）
热力学 统计物理
（多粒子体系）
相对论
力学
量子
力学
量子统计物理
相对论
量子力学
相对论
量子场论
？
物理学的基本框架
分支学科,激光物理，半导体物理，原子物理，核物理 …
交叉学科,生物物理，量子化学，地球物理，海洋物理 …
物理学的基本框架
速率
大小或距离 1020m 10－ 5m
0.01c
c
狭义
相对论 广义
相对论
量子理论
狭义相对论
量子
理论 牛顿物理学
禁区
禁区
来自, 物理学：基本概念及其与方方面面的联系,
教材结构和主线
上册 下册
多粒子体系
的热运动
基本
粒子
实物的
运动规律
相互作用
和场
振动
和
波动
量子现象和
量子规律
发展性
不断从新的角度审视和理解物理概念和规律，关注
其内涵的丰富，应用的扩展，相互关系的变化。
[例 ] 质量 m
初中：,Vm ??
Vm??
循环定义？
前沿,质量究竟是什么？是如何产生的？
大学,
2
22
0 1
mcE
cvmm
?
??
惯引 mm ?
高中,maF ? － 惯性质量
2r
G m MF ? －引力质量
惯引 mm ?
？
[例 ] 力 F?
中学,以“力”为中心。
amF ?? ?
对时间积累 ptFI ??? ????
动量定理 ——动量守恒
对空间积累
kc o s EFSA ??? ?
动能定理 ——机械能守恒
力矩 FdM ? 定轴转动物体的平衡
近代物理,以守恒量为中心的表述优于以力为中心表述。
守恒量 ——动量、角动量、能量
守恒定律 －动量守恒定律
角动量守恒定律
能量守恒定律
守恒定律与
自然界对称
性的联系
物理学在 20世纪取得了令人惊讶的成功。
它改变了我们对空间和时间、存在和认识的看
法，也改变了我们描述自然的基本语言。在本
世纪行将结束之际，我们已拥有一个对宇宙的
崭新看法。在这个新的宇宙观中,物质已失去
了它原来的中心地位，取而代之的是自然界的
对称性。
—— （美）斯蒂芬, 温伯格
温伯格 (美）
(1933--- )
注意提高应用物理知识理解、解决实际
问题的能力。 迁移性
发展独立思考和独立判断的一般能
力，应该始终放在首位，而不应当把获
得专业知识放在首位。 如果一个人掌握
了他的学科的基础理论，并且学会了独
立地思考和工作，他必定会找到他自己
的道路，而且比起那种主要以获得细节
知识为其培养内容的人来说，他一定会
更好地适应进步与变化。
——阿尔伯特, 爱因斯坦
德裔（美）爱因斯坦
(1879-1955)
2,学习物理方法
观察、实验、模拟、演绎、归纳、分析、综合,
类比、理想化、假说 ……
形成指导性原理,
* 简单性原理,逻辑前提越简单，普遍程度越高。
* 对应原理, 新理论应包容在一定条件下被证实
是正确的旧理论，并在极限条件下过渡到旧理论。
……
是否运用物理学方法已经成为一门学科是否成熟的
标志之一。
理想化
方法
理想模型（单摆、弹簧振子、理想气体 …… )
理想实验（伽利略、牛顿 …,.,）
理想过程 (准静态、绝热 …… )
[例 ]
方法实质,
简化、纯化，抓住主要矛盾,
摒弃次要因素。
重要意义,
人类认识世界的基本策略
牛顿的理想实验
物理学的基本思想方法,
用模型来描述自然，用数学来表达模型，用实验来检验模型 。
（ 1858-1947）
感觉世界 物理科学世界 真实世界
大量
唯象定律
较高层次
定律
自然界的
基本法则
(中介 )
逼近
目标
归纳
总结
气体定律
胡克定律
……
牛顿定律
麦氏方程
……
物理学描述的是关于实在世界的模型
我们可以把组成这个“世界”的这些运动事物的复杂组合，
想象成天神们下的一盘巨大的象棋，而我们是这局棋的观众。
我们不知道奕棋的规则，允许我们做的就是观看这场棋赛。当
然，如果看的时间够长，我们终归能看出几条规则来。这些奕
棋规则就是我们所说的 基础物理学 。 …… 如果你会下棋就一定
知道，学会所有的规则是容易的，而要选择最佳的走法或理解
人家为什么这样走则往往很困难。在自然界中也是如此，只是
程度更厉害 …… 除了我们还不知道全部规则之外，用已知的规
则我们确实能解释的事物也是非常有限的，因为所有的情况都
极其复杂，我们不能用这些规则领会这盘棋的走法，更不用说
预言下一步将发生什么情况了。因此，我们只能满足于奕棋规
则这个比较基本的问题。
－－－费曼
R.P.Feynman （ 1918－ 1988）
物理概念、规律与自然实在并非完全同一。人类是
依靠建立模型、不断改进模型来逐渐认识自然的。
避免将物理规律视为一成不变的僵死教条，寻求发
展和创新！
又如,科学假说方法
牛顿时代,以经验观察，逻辑归纳为主。
现代物理,问题 ——假说 ——(实践 )——科学 ——
（证伪） ——新问题 ——新假说 ——…,.,
不是由观察结果归纳出理论，而是由理论决定观
察什么 。 ——爱因斯坦
3,学习先进的科学观念，树立科学 世界观
物理学中的唯物论,
实践（实验）是判断（检验）真理（科学）的唯一标准,
物理学中的辨证法,
相对性原理，变革性原理，对应原理，互补原理 ……
物理学, 美, 的标准,简单、和谐、统一、对称。
应当期望物理学家的美感有一种用途：协助物
理学家去选择可帮助我们了解大自然的理念。
－－－ 温伯格
自然是和谐统一的整体，自然界的复杂性是由简
单规则演变而来。
物理上真实的东西，一定是逻辑上简单的东西。
——爱因斯坦
符合物理学审美原则,
学科的分化、交叉、整合。
人与自然的和谐发展 ——新的自然观
一切工程技术实践都要尊重生态规律，讲求环
境效益，树立,整体优化” 和,可持续发展” 的价
值观念。
三, 怎样学?
业精于 勤 荒于嬉，行成于 思 毁于随。
—— 韩愈
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第二章 物质世界
教育的实质就是克服狭隘性,
也就是要开阔人的眼界。
－ 曼格
一,物质世界的空间尺度 ——宇宙的 42个台阶
宇宙学、粒子物理的奇妙衔接
哈勃半径,
星系团,
银河系,
地球轨道半径,
太阳半径,
地球半径,
月球半径,
大分子,
小分子,
原子,
原子核,
基本粒子,
? ?
16
14
10
9
4
6
7
9
11
21
23
26
10
10
10
10
10
10
10
10
AU110
10
10
m10
?
?
?
?
?
二, 物质世界的时间尺度
s10~s10 2418 ?
共计跨越了 42个数量级
s1018?宇宙年龄,150 亿年
生命的诞生,约 40亿年
人类,300万年（ 1014s）
中间玻色子寿命,10－ 24s
地球年龄, s10106.4 179 ?? 年
大爆炸
宇宙年龄,
星系年龄,
地球年龄,
出现生命,
富氧大气,
人类,
地球公转,
月球公转,
地球自转,
中子寿命,
中间玻色子寿命,
s1062 6?.
s105
s103
s10 24?
50亿年
150亿年
46亿年
40亿年
3百万年
8亿年
s10163 7?.
s)10( 18
s)10( 14
s)10( 17
三, 物质世界的质量尺度
目前所测宇宙,
银河系,
太阳,
地球,
月球,
细菌,
红血球,
流感病毒,
氧分子,
中子、质子,
电子,
kg5310
kg4110
kg3010
kg2510
kg2210
kg1110?
kg1310?
kg1910?
kg2510?
kg2710?
kg3010?
宇宙中物体的质量量级 ——跨跃了约 80个数量级
四, 基本粒子家族
基本粒子,
指人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点”粒子,
是一个不断向更深层次转移的动态概念。
基本粒子 特征,
质量、电荷、自旋、寿命 ……
要点,三大家族
四种相互作用
标准模型,1964年 美国盖尔曼提出,1969年斯坦福直线
加速器中心电子 —核子撞击实验首次验证,
获当年诺贝尔物理奖。
（ 1929－）
1.规范粒子（场粒子，传递相互作用，共 13种） 三大家族
名称 符号 静质量 （ MeV） 电荷 （ e） 自旋
)(?
寿 命（ s） 传递的 相互作用
光子 ? 0 0 1 ? 电磁
中间
玻色子
0Z
W?
1
1 01?
弱
25
25
10030602
10180932
?
?
??
??
)..(
)..(
319 1 1 6 1
4 0 08 0 6 0 0
?
?
胶子
（ 8种） )g( 0 0 1 ? 强
引力子 0 0 2 引力
玻色子
根据范德米尔与鲁比亚, 随机
冷却, 设想制造的高能加速器
于 1984年 1月发现了规范场粒
子 W± 和 Z° 粒子。其性质最终
确定了弱电统一理论的正确性。
二人于 1984年获诺贝尔物理奖。
范德米尔 (1925～ )
荷兰物理学家 鲁比亚 (1934～ ) (意 )物理学家
格拉肖
(美 1932～ )
萨拉姆
(巴基斯坦
1926～ 1996)
温伯格
(美 1933～ )
因为弱电相互作用理论
和预言弱中性流获 1979
年诺贝尔物理奖。
历史之旅
2,轻子：共 3代 12种 三大家族
名称 符号
静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
寿 命（ s） 代
电子
电子中微子
一
e
e
?
0.51
5105 ??? 0
-1 21
21
?
?
μ子
μ子中微子
二
??
?
106
50.? 0
-1 21
21 ?
610?~
?子
? 子中微子
三
??
?
*1776.9
160? 0
-1 21
21 ?
1310?~
费米子 *,北京正负电子对撞机测量结果
北京正负电子对撞机（ BEPC）的正电子源
1988年建成,
1992年成果：将 ?子质量测量精度提高 10倍
2003年：发现新粒子
2004年：国家投入 6.4亿元改造，搭建通向诺贝尔奖平台
反粒子的发现
1930年狄拉克预言其存在；
1932年安德森在宇宙射线实验中发现正电子。
（ 1905－ 1991） （ 1902－ 1984） 1931年安德森用过的云室
和磁铁
历史之旅
粒子从何方穿入？
粒子带何种电荷？
由径迹算出荷质比与电子相同。
铅板
B?
?
? ?
??
1999年 6月 3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号航天飞机搭载
中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪（ AMS）升空，寻找宇宙空
间的暗物质和反物质 （反碳核和反氦核）
中微子之谜
1930年泡利为解释 衰变中能量不守恒，提出假设,
1933年费米建立弱作用理论。
1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。
1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获 1995年诺贝尔物理奖。
1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。
2002年美国雷蒙德,戴维斯，日本小柴昌俊获诺贝尔物理奖，表彰
他们在探测宇宙中微子，开创中微子天文学方面取得的成就 。
尚存许多未解之谜，应用前景广阔 （地球断层扫描，中微子通讯，
探测星球内部信息 …… ）
???? ?epn
?
历史之旅
3.夸克, 3代,6味、每味 3色，共 36种 三大家族
名 称 符号 静质量
（ MeV）
电荷
（ e）
自旋
)(?
代
一
上夸克
下夸克
u
d
-300
-300
32
31?
21
21
二
粲夸克
奇异夸克
c
s -500
-1500 32
31?
21
21
三 顶夸克
底夸克
t
b
-180000
-5000
32
31?
21
21
费米子
1964年 盖尔曼,
1974年 丁肇中,
1977年 莱德曼,
1995年 费米实验室,
sd,u,
cJ/ ??
b??
t
（粲夸克）
（底夸克）
（顶夸克）
（上、下、奇异夸克）
历史之旅
强子（核子、介子）的夸克模型
名称 符号 符号 组成 组成 名称
质子
中子
反质子
正 ?介子
正 K介子
J/?介子
p
n
p ?K
?π
J/?
du2 ?
du2 ?
d2u ? cc?
su?
du?
特点,分数电荷 1977年超导铌球实验
渐近自由
红外奴役
色禁闭 （找不到自由 夸克 ）
323 e,e ??
d
u u
d
u u
d
u u
u
u
d
u u
u u
基本
粒子
规范粒子 13种
轻子 12种
夸克 36种
玻色子（引力子？）
费米子
希格斯粒子（？）
62种
小结,基本粒子的三大家族
五, 物质存在的基本形式 ——实物和场
轻子
夸克
实物 规范粒子 场
物质结构层次
实物
分子
原子
原子核
质子
夸克 电子（轻子） 规范粒子
场
中子
物质结构层次
实物和场
实物,具有质量、不可入性，以空间间断形式存在。
宏观客体（ > ）服从因果律 m10 7?
微观客体（ < ）服从统计规律
m10 7?
介观客体 （ 108－ 1011个原子，亚微米尺寸器件）
一定条件下出现量子效应
场,无静止质量,不具有不可入性，以连续形式存在，
具有可叠加性，不能作为参考系。
*实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互作用，场和实物
可以相互转化
*现代物理认为场是更基本的，粒子只是场处于激发态的表现。
真空,所有的场处于基态，表现为没有粒子；
粒子,相关的场处于激发态。
???? ?epn中子衰变,
六, 四种基本相互作用
所有粒子
大多数粒子
带电粒子
强子
?
1610??
?
1310??
引力子？
中间玻色子
光子
胶子
1310?
3810?
210?
1
)(?
)g(
种类
引力
弱力
电磁力
强力
作用对象 作用距离 (cm) 相对强度 传递作用的 基本粒子 （ 10－ 13 cm处 ）
迄今为止，人类了解得最早的是引力,了解得最晚的是
强力；了解得最少的是引力，了解得最多的是电磁力。
想想其中的原因！
物理理论的发展趋向统一
天体引力
地球引力
牛顿 爱因斯坦
经典力学 相对论力学
电
磁
光
弱力
强力
麦克斯韦
电动力学 格拉肖 萨拉姆 温泊格
规范场弱电统一理论
设想的大
统一理论
设想的
超对称
大统一
理论
杨振宁、李政道由于发现宇称不守恒，获 1957年
诺贝尔物理学奖
获诺贝尔物理奖的华裔物理学家
获诺贝尔物理奖的华裔物理学家
丁肇中,
由于发现 J粒子，
获 1976年诺贝尔
物理学奖。
朱棣文,
由于激光冷却和
捕获原子的研究
获 1997年诺贝尔
物理学奖。
崔琦,
由于在分数量子霍
尔效应量子现象的
研究获 1998年诺贝
尔物理学奖。
推荐书目
1.霍金,, 时间简史,, 湖南科技出版社,1992
2.赵鑫珊,,普朗克之魂,,四川人民出版社,1992
3.R.费曼,,别闹了，费曼先生,,三联书店,1997
自学,教材 p356, 附录 B 矢量简介,
